王 慷，黃中杰

（1.中國(guó)南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 511400；2.中國(guó)南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司廣州蓄能水電廠，廣東 廣州 510950）

單導(dǎo)葉接力器導(dǎo)葉不同步原因分析及故障處理

王 慷1，黃中杰2

（1.中國(guó)南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 511400；2.中國(guó)南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司廣州蓄能水電廠，廣東 廣州 510950）

廣州抽水蓄能電廠二期的水泵水輪機(jī)為高水頭、大容量、高轉(zhuǎn)速的混流式可逆機(jī)型。采用單導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化導(dǎo)水機(jī)構(gòu)布置，提高單個(gè)導(dǎo)葉的可控制性。經(jīng)多年檢修經(jīng)驗(yàn)得知，導(dǎo)葉不同步故障是導(dǎo)水機(jī)構(gòu)故障的主要原因之一，從多個(gè)方面分析了導(dǎo)葉不同步故障的原因及解決方法，對(duì)導(dǎo)葉不同步故障的原因分析及處理有一定指導(dǎo)意義。

抽水蓄能電廠；導(dǎo)葉不同步；導(dǎo)葉開度曲線

0 引言

廣州蓄能電廠（以下簡(jiǎn)稱“廣蓄”）位于廣州從化境內(nèi)，總裝機(jī)容量2400MW，分A、B廠兩期建成，每期裝機(jī)1200MW，共安裝8臺(tái)300MW的可逆式水泵水輪發(fā)電電動(dòng)機(jī)組。電站設(shè)計(jì)水頭535m，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速500r/min。其中A廠4臺(tái)機(jī)組的調(diào)速器采用控制環(huán)結(jié)構(gòu)控制；B廠4臺(tái)機(jī)組采用單導(dǎo)葉接力器控制。相比控制環(huán)控制結(jié)構(gòu)，單導(dǎo)葉接力器控制更加靈活，但同時(shí)投資更大、故障發(fā)生率增大、檢修工作量增加。其中導(dǎo)葉不同步故障就是單導(dǎo)葉接力器故障中常見的一種，2005年以后經(jīng)過(guò)技改，增加了一套調(diào)速器導(dǎo)葉監(jiān)視系統(tǒng)，用以記錄監(jiān)視導(dǎo)葉控制各個(gè)環(huán)節(jié)。同時(shí)還增加了導(dǎo)葉不同步報(bào)警跳機(jī)裝置，導(dǎo)葉不同步達(dá)到2%時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，不同步率達(dá)到3%時(shí)跳機(jī)。

1 廣蓄B廠單導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)介紹

廣蓄B廠調(diào)速器為單導(dǎo)葉控制，共裝有20個(gè)接力器和20個(gè)電液轉(zhuǎn)換器及20個(gè)反饋裝置，單導(dǎo)葉控制的特點(diǎn)有：

（1）單導(dǎo)葉由單獨(dú)接力器控制，導(dǎo)葉可設(shè)計(jì)為自關(guān)閉趨勢(shì)；

（2）每個(gè)導(dǎo)葉直接與接力器連接，具有液壓緩沖作用，任何情況下導(dǎo)葉不會(huì)失控旋轉(zhuǎn)，不需限位或制動(dòng)裝置；

（3）結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，不需控制環(huán)，剪斷銷保護(hù)機(jī)構(gòu)，限位裝置等，頂蓋上方空間闊，便于安裝和維護(hù)；

（4）接力器的操作力矩始終受到調(diào)速器油壓系統(tǒng)的壓力限制，使導(dǎo)葉保持在控制之下，不需要制動(dòng)斷銷保護(hù)；

（5）故障概率加大，檢修工作量較大。

1.1 PLC控制單元

廣蓄B廠導(dǎo)葉控制機(jī)構(gòu)原理圖見圖1，調(diào)速器單元共有3個(gè)PLC組成，其中PLC1和PLC2互相備用，在任何情況下均可對(duì)其中之一進(jìn)行檢修且不影響機(jī)組正常運(yùn)行。PLC3完成單導(dǎo)葉控制，從PLC1和PLC2及反饋機(jī)構(gòu)接受信號(hào)來(lái)控制VCA3放大卡。

圖1 導(dǎo)葉控制機(jī)構(gòu)原理圖

1.2 放大單元

單導(dǎo)葉接力器由控制系統(tǒng)現(xiàn)地可編程控制器PLC3、輸出放大器VCA3與20組單導(dǎo)葉控制機(jī)構(gòu)組成。PLC3將計(jì)算出的導(dǎo)葉開度傳遞給接力器的放大單元VCA3卡中，VCA3卡將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～300mA的電信號(hào)傳遞給電液轉(zhuǎn)換器來(lái)控制接力器開啟關(guān)閉行程。

1.3 執(zhí)行單元

由20個(gè)接力器分別驅(qū)動(dòng)20導(dǎo)葉，接力器全行程262.5mm，壓緊行程1.7mm；

導(dǎo)葉全開時(shí)轉(zhuǎn)角為26°，控制電流4～20mA，全開時(shí)間25s，全關(guān)時(shí)間38s，采用一段關(guān)閉規(guī)律。

2 導(dǎo)葉不同步的危害

機(jī)組導(dǎo)葉開啟關(guān)閉不同步時(shí)導(dǎo)致機(jī)組各個(gè)導(dǎo)葉開度不統(tǒng)一，蝸殼內(nèi)壓力水不能均勻?qū)ΨQ的進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪四周壓力不同，導(dǎo)致水力不平衡，加劇機(jī)組的振動(dòng)和擺度，同時(shí)也加劇了機(jī)組的汽蝕，使機(jī)組壽命大大減短[1]。

而同時(shí)大型水輪發(fā)電機(jī)組因?yàn)樗φ駝?dòng)引起的機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題越來(lái)越多，主要有運(yùn)行時(shí)間不長(zhǎng)，轉(zhuǎn)輪就出現(xiàn)嚴(yán)重裂紋；部分負(fù)荷下尾水管內(nèi)出現(xiàn)渦帶，引起水流壓力脈動(dòng)導(dǎo)致機(jī)組擺度加劇；廠房振動(dòng)加劇，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行；與固定部分碰撞，瓦摩擦加劇，瓦溫升高[2]；加劇機(jī)組擺度等。機(jī)組擺度較大的危害主要有導(dǎo)瓦摩擦加劇，瓦溫升高嚴(yán)重；導(dǎo)致發(fā)電機(jī)空氣間隙不均勻，電磁振動(dòng)加?。凰啓C(jī)各個(gè)方向水力不平衡加劇，加劇機(jī)組振動(dòng)[3]等。

3 導(dǎo)葉不同步故障現(xiàn)象及故障原因分析

3.1 機(jī)械原因

3.1.1 導(dǎo)葉軸套卡塞

導(dǎo)葉啟閉過(guò)程中由于導(dǎo)葉制造及安裝誤差，致使導(dǎo)葉軸在套筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)各個(gè)方向間隙不一，發(fā)生偏磨，加大導(dǎo)葉啟閉摩擦力矩，導(dǎo)致導(dǎo)葉啟閉需要更大力矩引起導(dǎo)葉啟閉不同步。當(dāng)導(dǎo)葉發(fā)生與軸套卡塞時(shí)可以從導(dǎo)葉開度曲線上明顯看到故障導(dǎo)葉開度落后，當(dāng)導(dǎo)葉卡塞嚴(yán)重?zé)o法動(dòng)作時(shí)，在其他導(dǎo)葉開度達(dá)到設(shè)定值時(shí)故障導(dǎo)葉仍停留在卡塞位置；當(dāng)導(dǎo)葉卡塞較輕微可以克服時(shí)，在卡塞時(shí)故障導(dǎo)葉開度落后于其他導(dǎo)葉，在客服卡塞后，由于反饋?zhàn)饔?，故障?dǎo)葉開啟速度加快。

圖2、圖3為機(jī)組正常啟動(dòng)時(shí)導(dǎo)葉開度曲線，不同步率小于0.5%。圖4、圖5為2013年3月廣蓄7號(hào)機(jī)組啟動(dòng)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)接到報(bào)警信號(hào)，顯示19號(hào)導(dǎo)葉不同步率超過(guò)2%，10號(hào)導(dǎo)葉不同步率接近1%。從導(dǎo)葉啟閉曲線可以看出，10號(hào)和19號(hào)導(dǎo)葉在開啟初期落后于其他導(dǎo)葉啟閉開度，在導(dǎo)葉即將全開時(shí)導(dǎo)葉開啟速度迅速加快。根據(jù)曲線分析，在導(dǎo)葉開啟過(guò)程中某點(diǎn)發(fā)生卡塞，在力矩加大度過(guò)卡塞點(diǎn)后導(dǎo)葉開啟速度加快，因此判斷為軸套卡塞，根據(jù)檢修中導(dǎo)葉拆解確定故障原因?yàn)橹休S套和上軸套偏磨嚴(yán)重導(dǎo)葉卡塞。

圖2 導(dǎo)葉開啟正常時(shí)開度差曲線

圖3 導(dǎo)葉開啟正常時(shí)開度差曲線

圖4 導(dǎo)葉開啟不同步時(shí)開度差曲線

圖5 導(dǎo)葉開啟不同步時(shí)導(dǎo)葉開度差曲線

3.1.2 抗磨板及止推環(huán)卡塞導(dǎo)葉及導(dǎo)葉軸

在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，由于導(dǎo)葉上下斷面間隙不均勻以及水浮力等原因，導(dǎo)葉有向上竄動(dòng)的趨勢(shì)，當(dāng)導(dǎo)葉上移到一定高度后，止推環(huán)被頂起與止推環(huán)壓板摩擦，從而增加導(dǎo)葉啟閉摩擦力矩。機(jī)組運(yùn)行中止推環(huán)磨損，當(dāng)止推環(huán)間隙大于或等于導(dǎo)葉上端面間隙時(shí)，導(dǎo)葉上竄時(shí)不僅導(dǎo)致止推環(huán)與止推環(huán)壓環(huán)摩擦，而且導(dǎo)致導(dǎo)葉摩擦上抗磨板，從而增加導(dǎo)葉啟閉力矩，致使該導(dǎo)葉啟閉不同步。

發(fā)生此故障時(shí)，可以從導(dǎo)葉開度及控制電流曲線上明顯發(fā)現(xiàn)某導(dǎo)葉曲線異于其他導(dǎo)葉曲線。在蝸殼排水后，通過(guò)觀察和測(cè)量導(dǎo)葉上端面間隙及止推環(huán)磨損量、止推間隙即可確定導(dǎo)葉上端面是否與上抗磨板發(fā)生卡塞及止推環(huán)與止推環(huán)壓環(huán)發(fā)生卡塞。在2006年6月至8月廣蓄B廠8號(hào)機(jī)曾因?yàn)榇斯收蠈?dǎo)致6次發(fā)電工況啟動(dòng)失敗。

3.2 控制系統(tǒng)故障

3.2.1 PLC信號(hào)未正常發(fā)出

根據(jù)圖1單導(dǎo)葉控制結(jié)構(gòu)示意得知，PLC3可編程邏輯控制器向VCA3電流放大卡傳遞開度設(shè)定值及開度平均值。如若PLC控制信號(hào)為正常發(fā)出，在電流放大卡VCA3中則沒有電流信號(hào)，此時(shí)檢查導(dǎo)葉控制電流曲線應(yīng)沒有曲線存在。

此外，廣蓄B廠PLC3卡為公用卡，PLC3向20個(gè)電流放大卡發(fā)送開機(jī)信號(hào)且設(shè)定開度相同，故不會(huì)有邏輯錯(cuò)誤導(dǎo)致各個(gè)導(dǎo)葉電流放大卡接收到不同導(dǎo)葉開度信號(hào)的情況發(fā)生，如若出現(xiàn)此故障則有可能是線路連接松動(dòng)及電路干擾等原因，此時(shí)自動(dòng)化人員對(duì)PLC進(jìn)行試驗(yàn)即可發(fā)現(xiàn)故障并解決。

正常機(jī)組運(yùn)行中PLC出現(xiàn)硬件及邏輯故障的概率極小，一般不認(rèn)為PLC故障是導(dǎo)致導(dǎo)葉不同步的主要原因。

3.2.2 VCA3電流放大卡故障

廣蓄B廠調(diào)速器控制系統(tǒng)中PLC1、PLC2、PLC3均為公用卡，采用電壓并聯(lián)方式送至20個(gè)VCA3卡中，控制電流大小決定電液轉(zhuǎn)換器閥芯上升量，決定油口開度，導(dǎo)葉啟閉速度越快，其VCA3卡中控制電流越小；導(dǎo)葉啟閉速度越慢，其VCA3卡中控制電流越大；若導(dǎo)葉停滯不動(dòng)則其控制電流達(dá)到最大值，即導(dǎo)葉啟閉速度與控制電流成反比。發(fā)生導(dǎo)葉不同步故障后，根據(jù)當(dāng)時(shí)導(dǎo)葉控制電流曲線，依據(jù)各個(gè)導(dǎo)葉控制電流值的不同來(lái)分析導(dǎo)葉的不同步故障，當(dāng)某個(gè)導(dǎo)葉控制電流明顯大于或小于其他導(dǎo)葉控制電流，則認(rèn)為該電流放大卡故障，電流放大卡故障后導(dǎo)葉將失去控制。

圖6和圖7為廣蓄7號(hào)機(jī)組在發(fā)電工況和泵工況啟動(dòng)過(guò)程中導(dǎo)葉控制電流曲線，兩組曲線均為正常情況下導(dǎo)葉開啟曲線，由于采取閉環(huán)控制，電流大小不僅決定了導(dǎo)葉啟閉速度也反映了導(dǎo)葉開啟情況。如果某個(gè)電流放大卡發(fā)生故障則該導(dǎo)葉失去控制后控制電流曲線將消失或者出現(xiàn)無(wú)規(guī)律大波動(dòng)[4]。

圖6 發(fā)電工況下導(dǎo)葉控制電流曲線

圖7 抽水工況下導(dǎo)葉控制電流曲線

3.2.3導(dǎo)葉反饋傳感器故障

當(dāng)導(dǎo)葉不同步報(bào)警時(shí)，控制系統(tǒng)最有可能發(fā)生的故障即為導(dǎo)葉位置反饋傳感器故障，發(fā)出錯(cuò)誤導(dǎo)葉開度信號(hào)。

當(dāng)反饋傳感器反饋錯(cuò)誤的導(dǎo)葉開度信號(hào)，會(huì)引起報(bào)警甚至跳機(jī)。導(dǎo)致反饋傳感器誤差增大的原因有振動(dòng)導(dǎo)致傳感器部件松動(dòng)和傳感器電子元件損壞。因此通過(guò)對(duì)傳感部件緊固后做靜水啟閉試驗(yàn)，若故障現(xiàn)象還存在則證明與傳感器部件松動(dòng)無(wú)關(guān)；再校驗(yàn)傳感器反饋信號(hào)，如果校驗(yàn)結(jié)果不符合要求，則證明位置傳感器存在故障，需要更換。

3.3 油系統(tǒng)故障

3.3.1 接力器油缸漏油

在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)工作過(guò)程中，接力器油缸油液滲漏是造成導(dǎo)葉開啟不同步的原因之一。接力器端蓋在長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中由于振動(dòng)等原因?qū)е露松w密封損壞，接力器油缸內(nèi)有壓時(shí)少量油液從端蓋露出，由于油的可壓縮性小，少量的漏油會(huì)使接力器壓力腔壓力下降明顯，從而導(dǎo)致受力面壓力下降，接力器活動(dòng)速度減慢造成導(dǎo)葉啟閉不同步。當(dāng)端蓋漏油現(xiàn)象比較明顯，發(fā)生導(dǎo)葉啟閉不同步時(shí)，對(duì)接力器兩腔封閉后進(jìn)行打壓并使用錄波器錄油壓曲線，根據(jù)曲線上壓力降低速率可判斷接力器密封情況，確認(rèn)故障后更換泄露處盤根。

3.3.2 電液轉(zhuǎn)換器、主配壓閥或者接力器進(jìn)油管路故障

電液轉(zhuǎn)換器及主配壓閥故障是導(dǎo)致接力器不同步導(dǎo)致導(dǎo)葉啟閉不同步的主要原因。電液轉(zhuǎn)換器、主配壓閥的油路堵塞是導(dǎo)致接力器高壓腔壓力下降的原因之一；此外，主配壓閥單邊遮程過(guò)大（導(dǎo)葉開啟活塞動(dòng)作方向）會(huì)使主配壓閥油口提前打開，使該接力器進(jìn)油早于其他接力器，壓力上升快于其他接力器，導(dǎo)葉開啟速度較快；同樣當(dāng)主配單邊遮程（導(dǎo)葉開啟活塞動(dòng)作方向）過(guò)短時(shí)，該接力器比其他接力器晚動(dòng)作，導(dǎo)葉開啟速度較慢。電液轉(zhuǎn)換器堵塞時(shí)，壓力油進(jìn)入電液轉(zhuǎn)換器速度較慢，該導(dǎo)葉電液轉(zhuǎn)換器下方的主配壓閥控制壓桿拉起慢于其他導(dǎo)葉，主配壓閥油口開啟較慢，接力器進(jìn)油量小于其他導(dǎo)葉接力器，導(dǎo)葉開啟慢于其他導(dǎo)葉；而主配壓閥及管路堵塞時(shí)，進(jìn)油速率變慢，接力器開啟腔壓力上升較慢，導(dǎo)葉開啟速度較慢。

當(dāng)主配壓閥單邊遮程過(guò)大時(shí)，導(dǎo)葉開啟曲線上，從零開度開始，該導(dǎo)葉開度曲線領(lǐng)先于其他導(dǎo)葉開度曲線；而當(dāng)主配壓閥單邊遮程過(guò)小時(shí)，導(dǎo)葉開度曲線上從零開度開始，該導(dǎo)葉開度曲線落后于其他導(dǎo)葉開度曲線；當(dāng)主配壓閥堵塞時(shí)，該導(dǎo)葉開度曲線與其他導(dǎo)葉開度曲線從零開度開始慢于其他導(dǎo)葉且由于進(jìn)油量小，該導(dǎo)葉開度曲線斜率小于其他導(dǎo)葉；導(dǎo)葉電液轉(zhuǎn)換器堵塞時(shí)，曲線與主配壓閥單邊遮程較?。▽?dǎo)葉開啟活塞動(dòng)作方向）時(shí)相同。

電液轉(zhuǎn)換器、主配壓閥及油路堵塞的原因主要為油液過(guò)臟，只需清洗電液轉(zhuǎn)換器、主配壓閥及管路，為了保障運(yùn)行效果需要對(duì)調(diào)速器油進(jìn)行過(guò)濾，同時(shí)清洗調(diào)速器油過(guò)濾器。而主配遮程不合適時(shí)需要對(duì)電液轉(zhuǎn)換器壓桿進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)電液轉(zhuǎn)換器壓桿控制主配壓閥閥芯位置，使油口兩邊遮程處于合適范圍內(nèi)，避免遮程不均勻造成接力器動(dòng)作不同步。

3.3.3 接力器活塞密封損壞，接力器啟閉腔漏油

接力器活塞損壞是在檢修中常出現(xiàn)的故障之一，廣蓄B廠接力器密封為矩形盤根密封，運(yùn)行中由于外力振動(dòng)及油液過(guò)臟均有可能使活塞密封損壞，從而使接力器高壓腔和低壓腔之間漏油。導(dǎo)葉開啟時(shí)，接力器開啟腔壓力大于關(guān)閉腔壓力6MPa，達(dá)到設(shè)定開度后導(dǎo)葉兩腔壓力趨于平衡，使導(dǎo)葉開度固定在某一開度。而當(dāng)接力器密封損壞后，接力器高壓腔和低壓腔壓力達(dá)到平衡要快于其他接力器，接力器兩腔壓差較小，導(dǎo)葉開啟速度慢于其他導(dǎo)葉。通過(guò)比較接力器高壓腔和低壓腔壓力平衡曲線即可發(fā)現(xiàn)該故障，發(fā)生故障的接力器壓力達(dá)到平衡時(shí)間明顯短于其他接力器壓力平衡時(shí)間，如圖8、圖9所示。檢修時(shí)當(dāng)活塞使用金屬密封時(shí)需要對(duì)接力器活塞進(jìn)行修補(bǔ)或更換，使用盤根密封時(shí)打開接力器更換盤根，即可排除該故障。

圖8 活塞密封故障時(shí)兩腔壓力曲線

圖9 活塞正常時(shí)兩腔壓力曲線

3.3.4 接力器活塞與油缸壁卡塞

安裝時(shí)導(dǎo)葉接力器安裝水平度不符合要求，致使運(yùn)行中導(dǎo)葉接力器活塞與活塞缸卡塞摩擦力矩加大，使導(dǎo)葉啟閉力矩加大，導(dǎo)致導(dǎo)葉啟閉不同步故障。

當(dāng)導(dǎo)葉不同步報(bào)警信號(hào)發(fā)出后，測(cè)量報(bào)警導(dǎo)葉的水平度及拐臂與連桿角度即可確定接力器位置是否滿足要求，水平度等不符合要求時(shí)，即可打開接力器觀測(cè)活塞與油缸摩擦情況。

4 結(jié)語(yǔ)

單導(dǎo)葉接力器相比于控制環(huán)操作機(jī)構(gòu)有諸多優(yōu)點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)智能控制從而獲得良好的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性。但是，單導(dǎo)葉接力器較高的故障率是單導(dǎo)葉接力器全面推廣的一大難題，導(dǎo)葉不同步故障是單導(dǎo)葉接力器常出現(xiàn)的故障，準(zhǔn)確快速的檢查出導(dǎo)葉不同步故障原因及制定檢修計(jì)劃是提高導(dǎo)葉不同步故障的檢修成功率的重要環(huán)節(jié)，而提高檢修成功率是維護(hù)機(jī)組正常安全運(yùn)行重要支撐。本文對(duì)多種導(dǎo)葉不同步故障的原因分析在電廠檢修實(shí)踐中得到了驗(yàn)證，對(duì)導(dǎo)葉不同步故障原因的分析及檢修有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

[1]彭煜明，袁豐江.抽水蓄能機(jī)組單導(dǎo)葉控制不同步故障分析與處理[J].機(jī)電與金屬結(jié)構(gòu),2011,37（09）：61-64.

[2]何少潤(rùn).導(dǎo)葉不同步裝置在天荒坪抽水蓄能電站的應(yīng)用[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2002,78(03):88-100.

[3]錢忠東，鄭 彪，楊建東.不同步導(dǎo)葉對(duì)水輪機(jī)壓力脈動(dòng)的影響[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2008,41（06）：51-54.

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TV734.4

B

1672-5387（2015）S-0022-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2015.S.007

2015-10-23

王 慷（1991-），男，助理工程師，從事水電廠機(jī)械檢修工作。